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27 may 2015

Seguridad frente al incendio de estructuras de acero

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¿Cómo afecta un incendio a una estructura de acero?

Cuando uno proyecta una estructura  no tiene previsto que pueda sufrir una catástrofe que la arrase pero, al estar dentro de lo posible, debemos hacer todo lo posible por salvaguardar la integridad de continente y contenido (si ello fuera posible). Una de las cuestiones más delicadas la encontramos en la seguridad frente al incendio que debe tener una estructura donde el acero comprometa una parte crítica ante esta circunstancia.

incendio

Cuando calculamos una estructura de acero tenemos en cuenta diferentes tipos de acciones :

  • Acciones consideradas permanentes, entra las que se encuentran el peso propio que presenta el edificio, el pretensado de la estructura y las acciones del terreno.
  • Acciones variables que recogen las sobrecargas de uso, las acciones sobre las barandillas y elementos de división, el viento (con la evaluación de la presión dinámica asociada y sus coeficientes de exposición y presión exterior), la nieve y las acciones térmicas.
  • Acciones accidentales, que son aquéllas no previsibles y de difícil previsión como son los efectos sísmicos, el incendio y el impacto.

El Documento Básico SI correspondiente al Código Técnico de la Edificación “Seguridad en caso de Incendio” define las condiciones básicas que han de cumplirse para el caso de que se produzca un incendio. Resumo los puntos principales:

  • Se reducirá a límites aceptables el riesgo de que los ocupantes que se encuentren en un edificio sufran daños derivados de un incendio como consecuencia de las características del proyecto, construcción, uso y mantenimiento.
  • Para conseguir lo preconizado en el apartado anterior el edificio sufrirá todas las fases de proyecto, construcción, uso y mantenimiento conforme a lo recogido en el Código Técnico

Y con esto… ¿ya estoy cubierto? Sencillamente, NO.

Todo esto da pie a una teoría probabilística que condensa las opciones de que una determinada estructura pueda aunar efectos desfavorables que provoquen su colapso total o parcialmente. Si suponemos, por ejemplo, una estructura que presente 500 puntos posibles de rotura, la normativa asigna la probabilidad límite de fallo para uno cualquier en el orden de los 10-5, es decir, de cada 100.000 situaciones posibles de rotura, rompería en una. Sin embargo aplicando el concepto estadístico de probabilidad binomial encontramos que

P=1-(1-10^{-5}){500=0.5\%}

Probabilísticamente hablando significa que, si bien, cada uno de sus componentes fallaría 1 de cada 100000 veces, el conjunto agrupado fallaría 1 vez de cada 200.

Si partimos de que los requisitos primarios de evacuar a los visitantes, alcanzar los dispositivos de extinción y demás, están garantizados, ¿qué otros factores habrían de ser tenidos en cuenta?

La función a maximizar es, obviamente, la seguridad pero, también, habría de ser capaces de alcanzar ese objetivo minimizando la función de costes dado que todo se construye para cumplir una función y el despilfarro no es una opción. Esta función de costes incluirá:

  • El valor del propio edificio estructural incluyendo todos los materiales de protección y seguridad escogidos
  • El coste de los daños materiales que ocasionaría dicho elemento. Este factor debe multiplicarse por la probabilidad de que ocurra un incendio en el transcurso de la vida útil de la estructura y, también, por la probabilidad de que, una vez acometida la situación de incendio, el edificio, colapse.

La función que habrá que optimizar, será, entonces: Cx = V + C·P1·P2

Cx  = función de coste

V = valor de edificio

C =daños materiales

P1 = probabilidad de incendio

P2 =probabilidad de colapso.

La resolución de esta ecuación orienta a la elección de unos valores del espesor de los revestimientos a disponer del orden del log (C1/V) . Este dato, además, debe ser analizado para cada elemento ya que dependerá de la función del elemento en la estructura (pilar, brochal, hueco de escalera protegida, losa volada…) y sus grados de libertad (de isostático a hiperestático de grado N…). Los distintos reglamentos han venido superando los valores deducidos de esta manera para quedar del lado de la seguridad salvaguardando la integridad de las personas con el requisito de que el edificio se mantuviera en pie durante la duración del incendio.

Pero, claro, es necesario hacerlo porque, la idea base del cálculo radica en que usando los métodos simplificados (niveles  I y II) que podemos encontrar en el CTE o la EAE consideraremos un tiempo de resistencia al fuego normalizado que será inferior al tiempo que durará el incendio real.

Así la cosa, el proyectista, viendo que la accesibilidad, las condiciones de uso y los requisitos de evacuación no son un obstáculo que resten seguridad, puede optar por acogerse a un criterio de carácter más económico para el diseño de la protección contra el fuego tratando de minimizar el coste basado en el valor del edificio y el coste derivado de su colapso. Para ayudarse en este método podrá acogerse al método de nivel III donde se abandona el concepto de resistencia al fuego y de incendio normalizado y surgen métodos de cálculo en base a temperaturas críticas que, en ningún caso, deben ser alcanzadas por las piezas. En todo caso la condición

\frac{E_{fi,d}}{R_{fi,d,t}}\leq 1


debe estar garantizada donde E_{fi,d}  corresponde al grupo de solicitaciones calculadas aplicando los criterios de mayoración y combinación  de acciones y   R_{fi,d,t}  son las resistencias respectivas suponiendo el acero sometido a una distribución de temperaturas \theta_{A} más desfavorable calculada durante el tiempo de exposición al incendio real (para el caso de nivel III que supuestamente hemos escogido).  Además, deberá incluir un margen de seguridad coherente  con los coeficientes encargados de mayorar la acción del fuego en función de la categoría de la estructura (AB edificación general,  C estructuras de edicios que no pueda admitirse que queden sin servicio, 1 con alturas de evacuación de hasta 15 m, 2 ídem entre 15 y 28, 3 ídem más de 28 o con evacuación ascendente de más de 1 planta). Estos coeficientes se han calibrado para situaciones cuasi-lineales pudiendo sufrir adaptaciones de distintos organismos competentes en materia de seguridad.

Bibliografía:

  • Código Técnico de la Edificación. Real Decreto 314/2006, de 17 de marzo
  • EAE: Instrucción de acero estructural, documento 1. Ministerio de Fomento, 2009
  • ECCS (1985) Technical Committee 3 – Fire safety for Steel structures
  • EN 1991-1-2: 2002 Eurocode 1 : Actions on structures
  • Cálculo de estructuras frente al incendio. Jesús Ortiz Herrera

AUTOR: FCO JAVIER LUQUE

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